1、第 4 6卷 第 3期 2 0 1 5年 2 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 46 No 3 Fe b,2 01 5 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 5 ) O 3 0 0 4 2 0 3 隧道工程混凝土水化热与冻结壁相互影响研究 以甘肃引洮供水 一期工程为例 叶 庆, 石 荣 剑 , 陈 博 ( 中国矿 业大 学 深部 岩土 与地 下工程国家重点实验室 , 江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要 : 通过数值模拟 与现 场实测对比 , 探寻冻结法 隧洞施 工 中衬砌混 凝土水化 热温升与 冻结壁温度场相 互影 响
2、的规律 。研 究结果表 明, 在初期 支护的钢 拱架外部木背板及 喷混凝 土形成的保 温层 作用 下, 二次衬砌 混凝 土浇筑后 水化热对冻结壁 的影响深度仅 有 3 01 0 0 mm, 只有表层冻土温度短 时间内升 至零度 以上 , 而后 迅速 降到零度 以下 ; 虽然二次衬砌混凝土受到外部 冻结壁低 温影响 , 但混凝 土 内部 温度仍 能升至 2 8 以上 , 混凝 土外表 面温度在 浇筑 2 0 d后 降至零度 以下, 表明混凝土 强度 增长基 本不 受影响。数值 模拟与 现场 实测结果 基 本吻合 , 相 关成果对类似工程研 究及设计和施 工有一定参考价值 。 关键词 : 温 度
3、场 ;冻 结壁 ;冻 结 法 ;水化 热 中图法分类号 : T V 4 3 1 文献标志码 : A D OI : 1 O 1 6 2 3 2 i e n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 5 0 3 0 1 2 人工冻结法是通过制冷技术 , 将土中水冻结成冰, 与土体 胶结 形 成临 时 防护 层 以抵 抗 水 土压 力 、 隔离 地 下水 。冻 结壁 达 到设 计 强 度 后 , 再 浇 筑 混 凝 土 形 成永 久支 护 , 但 混凝 土 浇筑将 产生 大量 的水化 热 , 与冻 结壁 存在 相互 影 响 : 一 方 面 冻结 壁 传 导 的冷量 不利 于 衬 砌 养护
4、, 另 一方 面衬 砌 混 凝 土水 化 热 会 造成 冻结 壁 温度 回升 , 从 而对 冻结 壁产 生 不 良影 响 。王衍 森通 过 物理模拟 、 数值计算及现场实测方法 , 对矿井外壁水泥 水 化 热温 度场 与冻 结 壁 温 度场 的相 互 影 响进 行 研 究 , 得到了外 壁混凝土 的强度增长规律 。余波江等通 过现 场实 测 , 得到 混凝 土水 化 热 对 深井 冻 结 壁 冻 融规 律 , 并通 过 A D I N A 模 拟 验 证 。 李 大 海 等 通 过 A N S Y S模拟 得 到冻结 壁 温度场 以及 外层 钢纤 维混 凝 土 井 壁温 度场 变 化 规 律
5、。上 述 研 究 主 要 针 对 矿 井 井 壁 混凝 土温 度 场与冻 结 壁 温 度 场 的相 互 影 响 , 随 着 冻 结 法施 工技 术 在城 市地 下空 间开 发 、 隧道工 程 中的应用 , 有必 要对 该 领域 的温 度场相 互影 响进 行深 入研 究 。 1 工程背景与实测方案 甘肃省引洮供水一期工程计划从洮河九甸峡水利 枢 纽调 水至 甘肃 省 中部 干旱地 区定 西市 一带 。一 期总 干 渠 7号隧洞 4号 吴家 坪支 洞冷 冻段 围岩 以含水 疏松 沙 层 为主 , 自稳能 力差 , 含 水率高 , 水 土压 力大 , 尝试 多 种施工 方法 失败 后 决 定 采用
6、冻 结 法 。其 中 , 冻 结 段 长 4 3 5 m, 在 两侧封 堵墙 上对 打冻 结孔 , 冻结 孔共 设计 两 排 , 设 计 冻 结壁 厚 度 2 5 m, 平 均 温 度不 大 于 一1 0 C。 隧道初 衬采 用 型钢 支架 、 木 背 板 加 2 0 e m 厚 C 2 0喷 射 混凝 土 。二 衬采 用 P H S R 4 2 5水泥 , 厚 4 0 e m, 设 计 混凝 土强 度为 C 3 5 。 为 了对 冻结 壁 、 衬砌温 度场 进行 监测 , 设 置两组 监 测点 。第 1组设 置 两个 温 度 传 感 器 , 在 浇 筑 隧道 初 衬 之前 , 紧 贴隧道 洞
7、 身边墙 木背 板后 的冻结 壁表 面 , 以研 究 喷射初 衬混凝 土 对冻结 壁 温度场 的影 响 。第 2组 研 究二 衬混 凝土 水化 热温度 场 与冻结 壁温 度场 的相 互影 响 , 共设 置 9个 温 度 传感 器 。 其 中两 个 放 置 在混 凝 土 内 , 两个 紧 贴 冻 结 壁 置 于 隧 道 底 板 表 面 ( 保 湿 材 料 下 ) , 其余 5个 打 到 冻 土 内 , 编 号 依 次 为 C 1 、 C 2 、 C 3 、 c 4 、 c 5 , 距 冻 结 壁 表 面 分 别 为 3 0, 1 0 0 , 2 0 0 , 3 0 0 , 4 0 0 mm。此外
8、 , 还在 隧洞 边墙 设置 了两 个传感 器 。 2 初衬对冻结壁的影响 根 据设 计要 求 , 隧道 开挖 成 型 后 每 隔 5 m 进 行 一 收 稿 日期 : 2 0 1 40 50 5 作 者 简 介 : 叶 庆 , 男 , 硕 士研 究 生 , 主 要 研 究方 向为 岩 土工 程 冻 结 法施 工技 术 及 其 监 测 。E 第 3期 叶 庆 , 等 : 隧道工程混凝土水化 热与冻结壁相互影响研 究 以甘肃引洮供水一期工程为例4 3 次初衬支护。边墙冻结壁表面温度传感器测得温度随 时间 变化 曲线 如 图 1 所 示 。 初 衬 混凝 土 初始 温 度 为 1 0 2 C, 1
9、 2月 2 9 日开 始 浇筑 。 由图 1可见 , 初衬 浇 筑 完 成 后 冻 结 壁 表 面 温 度 逐渐降低 , 并最终趋于稳定。可见采用喷射 的方式浇 筑 , 混 凝 土热 量易 于散 失 , 且 浇筑 时冻 结壁 前木 背板 可 有 效 阻止 热量 往 冻结壁 方 向传 递 。初 衬喷 射完 成后 混 凝 土 能形 成一 层 多孔 隙疏 松结 构 , 能有 效保 温 , 阻止 冻 结 壁 与空 气对 流 产生 冷量 损失 。 图 1 边墙 冻 结 壁 表 面 温 度 变 化 3 二衬与冻结壁 的相互影响 3 1数值模型 建立 采用二维平 面热单 元 P L A N E 5 5进行数
10、 值计 算。 考 虑 实 际施工 参 数及 冻融 影 响范 围 , 因隧道 的纵深 、 圈 径 较 大 , 选 取平 面 矩形 模 型近 似模 拟 。其 中 , 冻 结 壁 单元 尺 寸为 1 0 0 0 mm1 0 0 0 m m, 保 温 材 料单 元 尺 寸为 1 0 0 0 m m 2 0 m m, 二 衬混 凝 土尺 寸 为 1 0 0 0 mm 4 00 mm。 二 衬 混凝 土 入 仓 温 度 为 8 3 , 水 化 热 散 热 系 数 m 取 0 4 5 , 最 终 累计产 热量 Q 。=3 3 5 k J k g 。土 体 、 保 温材料及混凝土其他热物理参数如表 1所示 。
11、 表 1热 物 理 参 数 3 2冻结壁初始 条件 隧洞 于 2 0 1 3年 8月 1日开机 冻 结 , 2 0 1 4年 1月 2 日停机并进行末端初衬支护。冻结壁内温度传感器监 测 温度 情况 如 图 2所示 。 从 1 月 3日到 1月 8日测温传感器实测数据可以 看 出 , 浅部 冻结 壁 温 度 随深 度 呈 线 性关 系 ( 依 次 为 0 9 9 0 , 0 9 7 8 , 0 9 7 1 , 0 9 9 8 , 0 9 9 5 , 0 9 8 1 ) 。 为 了对 冻 结 壁温 度 场模 型进 行简 化 , 以实 测数 据 为依 据 , 假设 冻 结壁模 型 3 0 1 0
12、0 0 mm深 度 范 围 内温 度 场 呈线 性 分 布 。考虑 到冻 结壁 表 面 暴 露 在 空 气 中 , 根 据 实 际情 况 施加 对 流荷载 。 图 2冻 结 壁 温 度 监 测 3 3数值模拟 与实测结果分析 2 0 1 4年 1月 8日开始 浇 筑 二衬 混 凝 土 , 并 于二 衬 浇筑前停止冻结。各温度传感器实测与模拟值对 比曲 线如 图 3 , 4所示 , 其 中图 3为混凝 土 、 底板 温度 实测 与 模 拟值 对 比情 况 , 图 4为冻 结 壁 内温 度传 感 器 实测 与 模 拟值 情 况 。 蟪 图 3二 衬 混 凝 土 、 底 板 温 度 实 测 模 拟
13、对 比 一 c l 实测 +c l 模拟 c 2 实测 一 c 2 模拟 一c 3 实测 c 3 模拟 c 4 实测 c 4 模拟 c 5 实测 图 4冻 结 壁 温 度 买 测模 拟对 比 从 图 3实测情况可以看 出, 混凝 土入模后受水化 热影响, 温度 迅 速 升高 , 浇筑 第一 天 达 到最 高 温 度 2 8 2 , 而后受冻结壁冷量与衬砌表面空气对流影响, 温度缓 慢 降低 ; 底板 与混 凝 土温 度变 化趋 势大 致相 同 , 浇筑完 第 一 天达 到最 高 温度 8 1 7 , 而 后 逐 渐 降低 。 由 图4 实 测 值 可 见 , C1 距 底 板 表 面3 0 m
14、 m, 受 混 凝 土 人 民 长 江 水 化热 影 响较大 , 1月 8 日混凝 土 浇 筑 完 后 , 在 1月 9 日温度达到最大值 2 3 ; C 2在 1 月 1 0日温度升高到 一 0 3 1 ; C 3C 5范 围 内冻 土 温度 也 有 所 升高 , 但 也 都 保持 在 0 o C以下 , 冻结 壁融 化 范 围在 3 01 0 0 mm 区 问 内。浇 筑 混 凝 土 之 前 已 经 停 止 冻 结 , 1月 1 2 E l 之 后 , C 1C 2范 围 内冻 土温 度有 所 回升 , C 3C 5范 围 内 冻土 温度 基本 保 持 稳 定 , 可见 1 0 0 m m
15、 深 度 以 内冻 结 壁受 混凝 土 水 化 热 与 空 气 对 流 影 响 , 温 度 出现 回升 。 2 0 0 m m 深度 以上冻 结 壁 冷 量 与 水化 热 热 量 传 导 达 到 短期 平衡 , 温 度保 持稳定 。 比较 图 3中实测与模 拟曲线 , 可以看 出底板温度 传感器实测值 与模 拟值吻合很好 。图 4中 C 1 、 C 2实 测 与 模 拟 变 化 趋 势 不 同且 温 度 相 差 较 大 , 最 大 温 差 6 0 7 , C 3C 5实 测 与模 拟 值 吻 合 良好 , 且 深 度 越 深 吻合 情况 越好 。可见 , 在 该 工 程 中采 用数 值 模 拟
16、 来研 究衬 砌 混 凝 土 水 化 热 及 冻结 壁 3 0 mm 以 上温 度 场 是 可信 的。故可采用数值手段来模拟衬砌混凝土水化热 温度场 , 找到混凝土最低温度值 , 其随时间变化曲线如 下 图 5所示 。 图 5二 衬 最 低 温 度 随 时 间 变化 曲线 从 图5可见 , 混凝土浇筑完成后从第 6 0天( 1 月 8 日) 到 第 8 0天 ( 1月 2 8 1 3) 温度 才 降 到 0 C, 从 而 能 保 证 混凝 土 有 2 0 d的 正 温养 护 时 间 。从 数 值 模 拟 结 果 可 以看 出 , 二衬 混 凝 土在 浇 筑 完 第 二 天 ( 1月 9日) 达
17、 到最 大温 差 9 2 一 七述 结 果 表 明 , 冻结 壁 冷 量 传 导 对二 衬混 凝 土强度 增 长 影 响 相 对 较小 , 且 二衬 混 凝 土 内外 温差 较小 , 混 凝 土不会 出现温度 裂缝 的情 况 。 4结 论 ( 1 )初 衬混 凝 土水化 热对 冻结 壁 温度场 没有 影 响 , 木背板能有效阻挡热量 向冻结壁传导 。混凝 土浇 筑完 成后 的疏 松孔 隙结 构 能形 成 一 层 有效 的保 温 层 , 减少 冻结 壁冷 量损 失 。 ( 2 )浅部范围冻结壁温度场温度值与深度呈线性 关 系 。受 二衬 混 凝 土 影 响 , 冻 结 壁 在 混 凝 土 浇 筑
18、 后 1 2 d内 的融 化 深 度 达 到 最 大 , 融 化 范 围 在 3 01 0 0 m m。混 凝土 浇筑 完成 后第 3天 回冻进 入 负温 , 由于 二 衬 浇筑 前 已经 停 止 冻结 , 浅 表 1 0 0 m m 范 围 内 土 体 受 混凝 土 水化 热与 空气对 流影 响 , 温度有 所 回升 , 而深 度 2 0 05 0 0 m m 范 围 内冻 土 温度 达 到 短期 平 衡 , 保 持 稳 定 。 ( 3 )二 衬混 凝土 水化 热温 度 场 、 冻结 壁 3 0 m m 深 以上温 度场 数值 模拟 与实 测情况 基本 吻合 。二 衬混 凝 土 浇筑 后水
19、化热 量大 , 且 释放迅 速 , 浇筑后 第一 天温 度 升高 到最 大值 2 8 2 C, 而 后 逐 渐降 低 。 由于 混凝 土 有 2 0 d左 右正 温养 护 时 间 , 所 以其 强度 增 长 受 冻结 壁 冷 量影 响较 小 。因二衬 厚 度 相 对 较 小 , 内外 最 大温 差 为 9 2 C, 不会 出现温度 裂缝 情况 。 参考 文献 : 1 姜耀 东, 赵毅鑫 , 周罡 , 等, 广 州地铁超 长水平 冻结多参量监 测分 析 J 岩土力学, 2 0 1 0 , 3 3 ( 1 ) : 1 5 81 7 3 2 王涛 , 岳丰 田, 檀鲁新 , 等 白垩 系底层 冻结温
20、度场 实测与数 值模 拟分析 J 煤炭技术 , 2 0 0 9, 2 8 ( 3 ) : 1 2 11 2 3 3 王衍 森 特厚 冲积层 中冻结井外壁强度增长及受力与变形规律研 究 D 徐 州: 中国矿业大学 , 2 0 0 5 4 余波江, 王仁和 , 李栋伟 混凝土水化热对深井冻结壁冻融规律影 响的实测研 究 J 煤炭工程 , 2 0 1 1 , ( 1 0 ) : 8 08 6 5 李大海, 张弛, 郭力, 等 外层钢 纤维混凝土 井壁水化 热温度场数 值模拟研 究 J 能 源技术与管理 , 2 0 0 9 , ( 1 ): 9 39 5 6 王效宾 , 杨平, 张婷 , 等 盾构 出
21、洞 水平解 冻温度场三 维有 限元 分 析 J 解放 军理 工大 学学报 : 自然科 学版 , 2 0 0 9, 1 0 ( 6 ) : 5 8 6 5 9 0 7 周晓敏 , 王梦恕 , 陶龙光 , 等 北京地铁 隧道 水平 冻结和 暗挖施 工 模型试验与 实测研究 J 岩土 工程 学报 , 2 0 0 3 , 2 5 ( 6) : 6 7 66 7 9 8 刘睫 , 陈兵 大体积混凝土水化热 温度 场数值模 拟 J 混 凝土与 水 泥 制 品 , 2 0 1 0, ( 5 ) : 1 61 9 ( 编 辑 : 郑 毅 ) ( 下转第 5 1页) 第 3期 陈建胜 , 等 : 构皮 滩水 电
22、站工程软岩原位流 变试 验研究 5 1 4 结 论 ( 1 )薄层状页岩在外荷载的长期作用下蠕变变形 量 较 大 , 表现 出显 著 的软 岩黏 弹性 特 征 。 ( 2 )广 义开 尔 文模 型 主要 反 映衰 减 蠕 变 的特 性 , 而伯格斯模型则可以反映衰减蠕变及定常蠕变特性 。 ( 3 )由于原 位 流变 实测 曲线 表 现 出弹 性 变 形 、 黏 性流动等特性 , 伯格斯模型对其试 验曲线的拟合效果 更好 , 更 适用 于 薄层 页岩 ( 软 岩 ) 流变 特性 的描 述 。 ( 4 )由半无 限空 间弹性 理论 推 导 的基 于刚性 承压 板原 位 流变 试 验 的 流 变 本
23、 构 ( B u r g e r s ) 模 型及 建 立 的 岩体 流变 力 学参 数辨 识 方 法 合 理 可 行 , 可供 工 程 参 考 和应 用 。 参 考文 献 : 1 刊、 钧 岩石 流变力学及 其工程应用研 究的若干进展 J 岩 石力学 与 工程 学报 , 2 0 0 7 2 6 ( 6 ) : 1 0 8 11 1 0 6 2 3 4 5 6 7 8 9 李云鹏 , 王 芝银 , 丁秀丽 岩体原位流 变荷栽试验 的力学参数与模 型反 演 J 实验力 学, 2 0 0 5 , 2 0 ( 2 ) : 2 9 73 0 3 刘成 宇 土力学( 第二版 ) M 北京 : 中国铁 道
24、 出版社, 2 0 0 4 赵海斌 , 翦波构皮滩水 电站通航建筑物 第二级升船机塔 楼结构 及基础 处理 专题 一地基 岩体 力学特性及 工程 处理模 型试验 研 究 成果报告 R 长 沙: 中国水 电顾 问集 团 中南勘 测设计 研 究 院, 2 0l 2 丁秀丽 岩 体流变特性 的试验研 究及模 型参 数辨识 D 武汉 : 中 国科 学院研 究生院, 2 0 0 5 张强勇, 张建国, 杨 文东, 等 软 弱岩体蠕 变模型 辨识与参数 反演 J 水利 学报 , 2 0 0 8, 3 9 ( 1 ) : 6 6 7 2 朱珍德 , 李志敬 , 朱明礼 , 等 岩体 结构 面剪切流 变试验及
25、模 型参 数反 演分析 J 岩 土力学, 2 0 0 9 , 3 0 ( 1 ): 9 91 0 4 周火明, 钟作武 , 张宜虎 , 等 岩体 原位试验 新技 术在 水 电工程 中 的初 步应 用 J 长江科学院 院报 , 2 0 1 l , 2 8 ( 1 O ) : 1 1 2一l 1 7 周火明, 丁秀丽, 李 雏树 , 等 构皮滩水 电站岩石 力学研 究 J 人 民 长 江 , 2 0 0 6 , 3 7 ( 3) : 81 O ( 编辑: 郑 毅 ) I n s i t u r h e o l o g i c a l t e s t a nd s t u dy o f s o f
26、t r o c k a t Go u pi t a n Hy dr o p o we r S t a t i o n CHEN J i a ns h e n g,J I AN Bo,ZUO Ch e n g r o n g,YU Xi n h u a ( P o w e r c h i n a Z h o n g n a n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n,C h a n g s h a 4 1 0 0 1 4,C h i n a ) Abs t r ac t : An i ns i t u r h e o l og i c a l t
27、e s t o f t hi nl a y e r s ha l e wa s c a i e d o u t f o r t h e s e c o n dl ev e l s h i p l i f t fou n da t i o n a t Go up i t a n Hy d r o po we r S t a t i o nTh e r e s e a r c h s ho ws t h a t t h e t h i n s ha l e h a s a l a r g e a mo u nt o f c r e e p d e f o r ma t i o n un d e r
28、 t he l o n gt e r m e x t e r n a l l o a d,whi c h i s o f pr o mi ne n t v i s c oe l a s t i c c h a r a c t e r i s t i c Ac c o r di ng t o t h e e l a s t i c i t y t he o r y o f s e mii n fin i t e s p a c e,t h e a n a l y t i c a l e xp r e s s i o n o f r h e o l o g i c a l c o ns t i t
29、 u t i v e r e l a t i o n,Bu r g e r s mo de l ,i s de r i v e d b a s e d o n r i g i d b e a r i n g p l a t e i ns i t u r he o l o g i c a l t e s t An d t he i d en t i fic a t i o n wa y for r o c k r h e o l o g i c a l c o n s t i t u t i v e mo de l p a r a me t e r i s b ui l t The r e f
30、o r e,t he s o l u t i o n t o t h e r h e o l og i c a l p a r a me t e r s d e t e r mi na t i o n o f r o c k ma s s ba s e d o n i ns i t u r h e o l o g i c a l t e s t i s s e t t l ed Ke y wo r ds: s o f t r o c k; i ns i t u r he o l o g i c a l t e s t ; Bu r g e r s Mo d e l ; pa r a me t
31、e r i de n t i f i c a t i o n ( 上接 第 4 4页) Re s e a r c h o n i nt e r a c t i o n b e t we e n t un ne l l i ni ng c o nc r e t e h y dr a t i o n he a t a nd f r o z e n wa l l Y E Q i n g , S H I R o n g j i a n , C H E N B o ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r C e o m e c h a n i c s &
32、D e e p U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g, C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g T e c h n o l o g y , X u z h o u 2 2 1 0 0 8 , C h i n a ) Abs t r ac t: Fo r t h e t un ne l c o ns t r u c t i o n u s i n g f r o z e n c o ns t r u c t i o n me t ho d,we s t u d y t h e mu t ua l i
33、 nflu e n c e o f t u nn e l l i n i n g c o n c r e t e hy d r a t i o n he a t a n d f r o z e n wa l l t e mpe r a t u r e fie l d by c o mp a r i s o n o f n ume r i c a l s i mu l a t i o n a nd fie l d t e s t I t i s s h o wn t ha t i n t h e i ni t i a l s u pp o r t i n g pe r i o d,u nd e
34、r t h e a c t i o n o f t h e h e a ti ns u l a t i o n l a y e r f o r me d by t h e wo o de n b o a r d o u t s i d e t h e s t e e l a r c h a n d t h e s h o t c r e t e,t h e i n flue n t i a l d e p t h o f t he h y dr a t i o n h e a t o n f r o z e n wa l l c a n o n l y r e a ch a s up e rf
35、i c i a l r a n g e o f 3 0 t o 1 0 0mm a fte r t h e s e c o n da ry c o nc r e t e l i n i n go nl y t he t e mpe r a t u r e o f s urfa c e f r o z e n e a r t h r i s e t o a b o v e Oi n s h o r t t i me a n d dr o p t o b e l o w z e r o s o o n a fte r Al t ho u g h t h e s e c o n da ry l i
36、ni n g c o n c r e t e i s i n flue n c e d b y t he l o w t e mp e r a t ur e o f t h e o u t s i de f r o z e n wa l l ,t h e i nt e r n a l t e mp e r a t u r e o f t h e c o n c r e t e c a n r i s e t o a b o v e 28 C ,whi l e t h e t e mp e r a t ur e o f ou t e r s ur f a c e o f t he c o nc
37、r e t e dr o p s t o be l o w z e r o i n 20 d a y s, wh i c h d emo n s t r a t e s t ha t t h e i nc r e a s e o f c o n c r e t e s t r e n g t h i s ha r dl y a f f e c t e d T he r e s u l t s o f nu me r i c a l s i mul a t i o n a r e c o ns i s t e nt wi t h t h o s e o f t he fie l d t e s t Ke y wor ds:t e mpe r a t u r e fie l d;f r o z e n wa l l ;f r o z e n c o n s t r u c t i o n me t h o d;h y d r a t i o n h e a t